Isolant thermique à haute performance dans les enveloppes de bâtiments

(1)

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Isolant thermique à haute performance dans les enveloppes de bâtiments

(2)

Phalguni Mukhopadhyaya et Michael Swinton

Isolant thermique haute performance

pour l’enveloppe du bâtiment

(3)

2

Aperçu de la présentation

Qu’est-ce qu’un isolant thermique haute

performance ?

Panneaux d’isolation sous vide – avantages

et inconvénients

Applications diverses

(4)

3 Mécanismes principaux • Conduction • Convection • Rayonnement Influencés par • L’infiltration d’air • L’intrusion d’air • L’accumulation d’humidité

(5)

4

Isolant thermique haute performance ?

Résistance thermique plus élevée

Longue vie utile

Écologique

(6)

5

L’amélioration du rendement thermique continue

V aleur RSI par 25,4 mm 1 2 3 4 5 6 7 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Espace d’air

Vermiculite Perlite Cellulose Fibre

minérale Mousse de polymère Aérogel PIV V aleur R par pouce

(7)

6

Transfert de chaleur par les espaces d’air –

Contribution par rayonnement, conduction et convection

CBD – 149; Shirtliffe

Isolant thermique haute performance : les bases 1” Convection Conduction Rayonnement 0 0,2 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,4 1,6 Flux thermique/différence de température = 1/R BTU/hr ft 2 F Espaces d’air ordinaires

Espaces d’air avec surfaces réfléchissantes

Espaces remplis de fibre de verre

(8)

7

Réduction de l’élément Conduction de l’air – Haute résistance thermique

Conductivité thermique (W m-1 K-1) Valeur R par pouce 0,040 3,6 0,035 4,1 0,030 4,8 0,025 5,8 0,020 7,2 0,015 9,6 0,010 14,4 0,005 28,9

Isolants – les éléments du transfert thermique

0,03 0,02 0,01 20 40 60 ₈₀ ₁₀₀ Conductivité thermique (W/m.K) Masse volumique (kg/m3) 0 0 Conduction de l’air Rayonnement

(9)

8

Isolant thermique haute performance

Mousse isolante à alvéoles fermés

• Conductivité de l’agent gonflant < Conductivité de l’air

Aérogel

• Conductivité de l’air (nanopore) < Conductivité de l’air

(macropore)

Isolant sous vide

(10)

9 Matrice en

polymère solide

Alvéole fermée (agent gonflant)

(11)

10

Aérogel: Conductivité de l’air (nanopore)

< Conductivité de l’air (macropore)

0 0,004 0,008 0,012 0,016 0,020 0,024 0,028

1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 Pression du gaz (Pa)

Silice sublimée/ aérogel Diamètre des pores 10 mm

1 mm 0,1 mm 0,01 mm 0,001 mm Conductivité thermique [W /( m K )]

(12)

11

PIV: Élément Conductivité à l’air ≈ zéro

0,03 0,02 0,01 20 40 60 80 100 Conductivité thermique (W/m.K) Masse volumique (kg/m3) 0 0 Conduction de l’air Rayonnement Conduction des solides

(13)

12

Panneau d’isolation sous vide (PIV)

(14)

13

V aleur RSi p ar 25,4 mm 1 2 3 4 5 6 7 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Espace d’air Vermiculite Perlite Cellulose Fibre minérale

Mousse de polymère

Aérogel PIV

V

(15)

14

Fibre de verre

PSE

285 mm (1

1,25 po)

R36

PIV

(16)

15

Film barrière multicouches Enveloppe du noyau Noyau en silice opacifiée pressée Barrière contre les

gaz/ feuille doublure Dégazeur/déshydratant

Matériau noyau

(17)

16

1. Le matériau noyau confère la résistance

mécanique et la capacité d’isolation thermique

2. La barrière contre les gaz / feuille doublure –

est l’enveloppe étanche à l’air et à la vapeur du matériau noyau

3. Le dégazeur / déshydratant – adsorbe les gaz

atmosphériques résiduels ou perméats, ou la vapeur d’eau présente dans le cœur du PIV

(18)

17

Avantages intrinsèques

• Résistance thermique plus élevée*

• Élément moins épais

• Recyclable

* Tout dommage au système de vide (même un petit

trou d’épingle) nuira gravement à la capacité d’isolation thermique des PIV

(19)

18

Des défits

• Coût (relativement coûteux)

• Physique et génie du bâtiment

– Vieillissement et durabilité

– Effets des ponts thermiques aux bords

(20)

19

Divers matériaux noyaux pour les PIV

La silice précipitée, la silice sublimée, le nanogel

(aérogel de silice) servent de matériaux noyaux

Les matériaux noyaux sont coûteux

D’autres matériaux noyaux peuvent diminuer le

(21)

20

Plaque chaude gardée sous vide (PCGV)

Fonctionnement de la PCGV

Enceinte sous vide

Cold plates Bout fixe Support Chauffe-plaque principal gardé Plaques froides

(22)

21

Caractéristiques des matériaux noyaux

Caractéristiques thermiques en fonction de la pression dans les pores (Fibre de bois minérale oxydée)

0 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 1 10 100 1000 10 000 100 000 1 000 000 Conductivité thermique (W/m.K)

Pression (Pa) – échelle logarithmique

V

aleur R par pouce

Pression atmosphérique 3.6 4.8 7.2 14.4 28.8

(23)

22

Caractéristiques thermiques des matériaux noyaux Source: http://www.glacierbay.com/vacpanelinfo.asp 0 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 1 10 100 1 000 10 000 100 000 Conductivité thermique (W/m.K)

Nanogel (Barrière ultra-R)

Polyuréthane à alvéoles ouverts Polystyrène à alvéoles ouverts Silice précipitée

Pression (Pa) – Échelle logarithmique

Pression atmosphérique

V

3.6

4.8

7.2

14.4 28.8

(24)

23

Fibre de bois minérale oxydée (FBMO)

Fibre de verre haute densité (FVHD)

Analyse de la structure des pores – Microscope électronique à balayage

(25)

24

Caractéristiques thermiques de la FBMO et de la FVHD

Autres matériaux noyaux nanopores

0 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 1 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 Conductivité thermique (W/m.K)

Pression (Pa) – Échelle logarithmique Fibre de bois minérale oxydée Fibre de verre haute densité

(26)

25

Pierre ponce Zéolite

Analyse de la taille des particules – Résultats de l’analyseur de particules

Répartition de la taille des particules Répartition de la taille des particules

Taille des particules (μm)

Pierre ponce, moyenne, 23 mars 2006 10:41:33 AM

(27)

26 Caractéristiques thermiques des poudres de ponce et de zéolite

1.8

R-value Per Inch

2.1 2.4 2.9 3.6 4.8 7.2 14.4 Conductivité thermique (W/m.k) Conductivité thermique (W/m.k) V aleur R par pouce

Pression (Pa) – Échelle logarithmique Pression (Pa) – Échelle logarithmique

Poudre de pierre ponce

(28)

27

Composés de fibres et de poudres

Fibres Particules de poudre

Pores

(a) Structures de pores fibreux (b) Structures de pores fibreux

(29)

28

Composés de fibres et de poudres

≅ 3,5 mm ≅ 3,5 mm ≅ 3,5 mm ≅ 3,5 mm ≅ 3,5 mm ≅ 3,5 mm ≅ 3,5 mm ≅ 25 mm Poudre Fibre de bois

(30)

29

Comparaison des caractéristiques thermiques –

Nouveaux/Autres Matériaux noyaux c. Nanogel et silice précipitée

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 1 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 Conductivité thermique (W/m.K)

Pression (Pa) – Échelle logarithmique

Composé fibre minérale oxydée – Poudre de pierre ponce

Composé Fibre de verre haute densité – Poudre de pierre ponce Silice précipitée

Nanogel

Composé Fibre minérale oxydée – Poudre de zéolite

Pression atmosphérique

1,8

V

2,1 2,4 2,9 3,6 4,8 7,2 14,4

(31)

30

Nouvelle installation d’emballage sous vide à l’IRC-CNRC

Compartiment

(32)

31

Panneau d’isolation sous vide

Inconvénients

• Physique et génie du bâtiment

– Vieillissement et durabilité

– Effets des ponts thermiques aux bords

(33)

32

Vieillissement et durabilité

Fabrication

Propriétés des matériaux noyaux

Manipulation et exposition

(34)

33

Ponts thermiques

Utiliser de grands panneaux

Faire chevaucher les panneaux

Remplir les joints ouverts, aux bords, avec des

matériaux isolants

Source: AIE/ECBCS Annexe 39

Face chaude

(35)

34

Condensation

Les PIV sont des pare vapeur absolus

Éviter les matériaux de construction humides

(36)

35

Applications diverses

Source:

AIE/ECBCS Annexe

(37)

36 Applications diverses Sol Mur Plafond Mur Source: AIE/ECBCS Annexe 39

(38)

37

Immeuble appartements et bureaux (Europe)

Rénovation des façades

Après Béton Support d’enduit vertical PIV Panneau mousse Plâtre

(39)

38

Immeuble de bureaux (Europe)

Éléments en béton préfabriqués isolés

(40)

39

Éléments de murs préfabriqués

Pierre de couronnement Support d’enduit

Pièce d’ancrage

Mousse de polyuréthane Isolant sous vide

Pare vapeur Béton

(41)

40

Maison jumelée (Europe)

Rénovation de façade

Avant Après

(42)

41

Vue en coupe d’un mur isolé

Maison jumelée

Mur

Pare vapeur

Isolant sous vide (15 mm) Polystyrène (35 mm)

Traverse en PVC

Plâtre de renforcement (3 mm)

Plâtre en résine synthétique (3 mm) 56 mm

(43)

42 Installation

Maison jumelée

(44)

43

Évaluation du rendement

Source:

AIE/ECBCS Annexe

(45)

44

Maison en terrasse (Europe)

Rénovation de l’enveloppe du bâtiment

(46)

45

Vue en coupe d’un mur isolé

Maison en terrasse

Mur de briques (340 mm)

Couche de séparation (10 mm) Isolant sous vide (30 mm)

Ruban mousse compressible

Support d’enduit en bois stratifié (40/30) Profilé Hespen (12 x 40 mm)

Isolant sous vide (15 mm)

Panneau à grain doux peint au bitume (22 mm) Panneau Fermacell HD (15 mm)

(47)

46

Évaluation du rendement

2002

2003

Source: AIE/ECBCS Annexe

(48)

47

Maison à consommation d’énergie nette zéro – Super E (Japon)

(49)

48

Toit plat

Source: Chris Mattock MRAIC, Habitat Design Plus Consulting Ltd.

TOIT PLAT TYPIQUE

Toit en métal

Papier de couverture

Revêtement contreplaqué de 12,5 mm

Profilé 38x184 tous les 610 mm entre axes Support en fibre de verre Laine de roche 150 mm (R22) Papier de couverture

Revêtement contreplaqué de 12,5 mm

Solives 241 mm tous les 610 mm entre axes

Icynene A.B. 241 mm (R34.2) PIV 21 mm (R43)

Fond de clouage 19x89 tous les 610 mm entre axes Plafond en panneaux

secs 12,5 mm Finition peinture

(50)

49

Projet Maison Harmony Equilibrium (Canada)

Fenêtres triple vitrage RSI 1,06 R 6

Tour éolienne et lanterneau avec AéroCap Toit RSI 10,56 (R60)

Fenêtres hautes pour la lumière du jour et le gain solaire passif

Panneaux solaires thermiques et photovoltaïques

Fenêtres face au sud pour la lumière du jour et le gain solaire passif

Fondation en béton isolé RSI 7 (R40)

Fondation sous dalles RSI 3,5 (R20) Murs RSI 7 (R40) Chambre à coucher Salle familiale Suite Salle de séjour

(51)

50

Mur

www.harmony-house.ca

Parement extérieur

Barrière résistante aux intempéries Revêtement mural

Panneau en mousse isolante Panneau d’isolation sous vide

Mousse isolante vaporisée / Pare air

Mur sec avec apprêt pare vapeur ou peinture

Angle à 2 montants pour tenir au minimum le

(52)

51

Conclusions

L’isolant thermique haute performance peut

être mis en œuvre dans divers ensembles d’enveloppes extérieures des bâtiments

Les panneaux d’isolation sous vide (PIV)

représentent un excellent nouveau débouché pour l’industrie de l’isolation thermique au

Canada.

L’IRC-CNRC est à l’avant-garde de la recherche

(53)

52

Un dernier mot James Dewar

a

(54)

53

Laboratoire des isolants et des matériaux de construction (LIMC)

Compteur de flux thermique – conductivité thermique

Plaque chaude gardée sous vide – conductivité thermique

Plaque chaude gardée – conductivité thermique

Appareillage de plaque de pression – isotherme de désorption

Immersion partielle – Coefficient d’absorption d’eau

Mesure de la sorption / désorption– isotherme de sorption / désorption

Dom a ine s d’é t ude s

Évaluation du rendement thermique et de la résistance

à l’humidité des matériaux d’isolation et de construction

Laboratoire national d’étalonnage des mesures

thermiques

Soutien aux travaux de recherche du CCMC-CNRC

et du CCC-CNRC

Mise au point de méthodes d’essai normalisées

Techniques analytiques du processus de transport

thermique et d’humidité

Maintien et tenue à jour d’une base de données unique

sur les propriétés hygrothermiques des matériaux

Recherche sur les matériaux de construction innovateurs

De la mesure

à

l’innovation

Compartiments de température et d’humidité constantes – diffusion de la vapeur d’eau Appareillage de perméabilité à l’air–

(55)

54

Remerciements

Ressources naturelles Canada (RNCan)

Société canadienne d’hypothèques et de

logement (SCHL)

Kingspan Insulated Panels

Kumar Kumaran

Nicole Normandin

David van Reenen

John Lackey

(56)

www